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地球关键带是各圈层在地球表层相互交汇的异质区域，涵盖了社会持续发展所需的能源和矿物资源，对于人类和环境都具有重要意义。碳是生命体的必需元素，它在关键带不同介质中的生物地球化学循环影响着环境和气候变化。喀斯特关键带属于脆弱的生态系统，广泛分布的可溶性岩石以及强烈的水岩作用使碳循环和流域水环境变化有别于非喀斯特系统，且对气候变化有快速响应。因此研究喀斯特关键带中碳的生物地球化学特征及其动态变化能更好地辨识关键过程在碳归趋中的作用，为精确建立区域/全球碳循环模型提供科学基础，有助于科学辨析气候变化对水环境变化的影响以及环境生态系统的保护。
目前以关键带理念为基础在喀斯特小流域进行与碳归趋有关的系统研究较少。因此，本研究选在中国西南地区一个具有近四十年研究基础的典型喀斯特流域以及该流域中的一个关键带监测点(CZO)，对土壤和水体中的碳进行了立体多维的研究。首先通过在不同季节采集四种土地利用类型的土壤剖面，探讨土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)在垂直剖面上的变化情况、储量分布、影响因素以及土壤碳和水碳之间潜在的相互运移关系。同时利用在线传感器和高频次采样获得的高分辨率数据分析水体中的化学组成、溶解性有机碳(DOC)和无机碳(DIC)在地表—地下之间的迁移转化及其在水文变化中所表现出的化学稳态响应和滞时特征。最后在流域尺度上通过持续两年的月度采样，研究溶解性碳的时空变化特征及其控制因素。本研究主要获得了以下认识：
(1)喀斯特土壤的SOC含量远高于SIC，且随深度增加而降低，SIC的变化趋势相反，二者均无显著季节性差异。SOC周转速率与同位素分馏效应并非完全一致，与喀斯特的薄土层和异质性有关，受控于植被类型、生物量和土壤微生物群落。上层土壤是“新”SOC(占34±10%)的活跃区。SIC来源或动态过程较简单，主要取决于成土性SIC与成岩性SIC的相对比例，受土壤呼吸、次生碳酸盐岩沉淀和再溶解的长期动态平衡影响。成土性SIC的比例较高且对变化更为敏感，与喀斯特土壤中Ca2+及生物CO2的可利用性有关，也受SOC变化的潜在影响。该流域的SOC储量(20.29±1.66kgm-2)在中国及世界范围内处于较高水平。耕地上层土壤的SOC储量有所流失，但在停耕后的前期恢复阶段(10年内)，其“新”碳截留速率(0.18 kg m-2 yr-1)较高，SOC分解速率常数(0.01)较低，这与喀斯特土壤的高渗透性有关。相反，SIC储量(1.22±0.34kgm-2)较低，与气候背景以及喀斯特土壤风化程度有关。
(2)水中的溶质浓度在年际尺度上无显著性差异，但有明显的季节性变化，雨季的值一般低于旱季(NO3-除外)，且各溶质对雨季的水文变化有不同程度的动态响应。Na+、K+和SO42-的化学稳态较弱，主要受控于降雨的稀释作用。NO3-和Cl-具有相似的农业来源或运输过程，流量增加能产生冲刷效应，使其通过淋溶作用在地表—地下水之间运移，具有较强的无序性，且滞时特征也与其它离子有所差异。Ca2+、Mg2+和HCO3-具有较强的化学稳态特征，主要来源于水体运输过程中的CO2溶解以及碳酸盐岩风化，且地下水中的浓度通常高于地表水。
(3)DIC的化学稳态响应较强且在地下水中的浓度高于地表水。土壤CO2和CaCO3是DIC的主要来源，其中前者的贡献比例更高，尤其是在雨季。土壤中次生的成土性SIC也具有一定的贡献。此外，大气CO2是地表水中DIC的另一个潜在来源。生物成因碳在DIC随流量变化的过程中占主导地位。泉水中DIC以及风化产物的滞时特征在不同的降雨事件之间有所差异，这与降雨事件的前期水文环境有关，主要的影响机制为过程限制。水文地质环境(如孔隙度、导水率和水头)能影响水流的运输路径(小缝隙和管道)和速度，改变源区、运输时间以及水岩作用时间，进而影响滞时特征。此外，脱白云石化作用对于流经石膏层的深层承压水中的DIC及其同位素也具有调节作用。
(4)DOC与DIC之间具有一定的相互转化，但DOC浓度远低于DIC。DOC在地表水中的浓度高于地下水，在雨季的浓度高于旱季，均与DIC相反。雨水运移到地下水的过程中不断有“新”DOC的汇入，但“新”“老”DOC混合的相对比例会随着流量而变化。渗透过程中部分DOC也会被含水层拦截或在途中被吸附或利用，成为地下水体潜在的持续陆源。表层土壤中的活性SOC库是DOC的来源之一。各FDOM组分的荧光强度变化说明DOC的补充来源可能主要是陆源的地表径流输入，而自生源的贡献相对较小。泉水的DOC随流量增加具有积聚效应，其滞时特征在不同的降雨事件中有所差异，这取决于它在单场降雨事件中的可获得性、储量以及可运输性，受控于与降雨强度/大小有关的运输限制。
(5)上述研究结果表明喀斯特关键带存在着水土侵蚀，土壤中可利用的活性碳比例也较低，长期耕作还会使土壤碳流失且在短期内不易自然恢复，最终使土壤环境质量下降。因此需及时采取退耕还林等土管政策来提高土壤环境质量。此外，薄的土壤层和成熟的地下网络系统使硝酸盐以及钙镁等离子在地下水中富集，造成地下水氮污染和水硬度升高，使部分时间段的局域水环境质量恶化，因此需通过优化施肥和灌溉等措施改善水环境质量。
总之，喀斯特关键带中碳的生物地球化学循环十分活跃，雨季的水文变化能使碳和水环境化学产生强烈的动态响应，进而通过加速局域碳循环来影响全球气候变化，并改变水土环境质量。
目前以关键带理念为基础在喀斯特小流域进行与碳归趋有关的系统研究较少。因此，本研究选在中国西南地区一个具有近四十年研究基础的典型喀斯特流域以及该流域中的一个关键带监测点(CZO)，对土壤和水体中的碳进行了立体多维的研究。首先通过在不同季节采集四种土地利用类型的土壤剖面，探讨土壤有机碳(SOC)和无机碳(SIC)在垂直剖面上的变化情况、储量分布、影响因素以及土壤碳和水碳之间潜在的相互运移关系。同时利用在线传感器和高频次采样获得的高分辨率数据分析水体中的化学组成、溶解性有机碳(DOC)和无机碳(DIC)在地表—地下之间的迁移转化及其在水文变化中所表现出的化学稳态响应和滞时特征。最后在流域尺度上通过持续两年的月度采样，研究溶解性碳的时空变化特征及其控制因素。本研究主要获得了以下认识：
(1)喀斯特土壤的SOC含量远高于SIC，且随深度增加而降低，SIC的变化趋势相反，二者均无显著季节性差异。SOC周转速率与同位素分馏效应并非完全一致，与喀斯特的薄土层和异质性有关，受控于植被类型、生物量和土壤微生物群落。上层土壤是“新”SOC(占34±10%)的活跃区。SIC来源或动态过程较简单，主要取决于成土性SIC与成岩性SIC的相对比例，受土壤呼吸、次生碳酸盐岩沉淀和再溶解的长期动态平衡影响。成土性SIC的比例较高且对变化更为敏感，与喀斯特土壤中Ca2+及生物CO2的可利用性有关，也受SOC变化的潜在影响。该流域的SOC储量(20.29±1.66kgm-2)在中国及世界范围内处于较高水平。耕地上层土壤的SOC储量有所流失，但在停耕后的前期恢复阶段(10年内)，其“新”碳截留速率(0.18 kg m-2 yr-1)较高，SOC分解速率常数(0.01)较低，这与喀斯特土壤的高渗透性有关。相反，SIC储量(1.22±0.34kgm-2)较低，与气候背景以及喀斯特土壤风化程度有关。
(2)水中的溶质浓度在年际尺度上无显著性差异，但有明显的季节性变化，雨季的值一般低于旱季(NO3-除外)，且各溶质对雨季的水文变化有不同程度的动态响应。Na+、K+和SO42-的化学稳态较弱，主要受控于降雨的稀释作用。NO3-和Cl-具有相似的农业来源或运输过程，流量增加能产生冲刷效应，使其通过淋溶作用在地表—地下水之间运移，具有较强的无序性，且滞时特征也与其它离子有所差异。Ca2+、Mg2+和HCO3-具有较强的化学稳态特征，主要来源于水体运输过程中的CO2溶解以及碳酸盐岩风化，且地下水中的浓度通常高于地表水。
(3)DIC的化学稳态响应较强且在地下水中的浓度高于地表水。土壤CO2和CaCO3是DIC的主要来源，其中前者的贡献比例更高，尤其是在雨季。土壤中次生的成土性SIC也具有一定的贡献。此外，大气CO2是地表水中DIC的另一个潜在来源。生物成因碳在DIC随流量变化的过程中占主导地位。泉水中DIC以及风化产物的滞时特征在不同的降雨事件之间有所差异，这与降雨事件的前期水文环境有关，主要的影响机制为过程限制。水文地质环境(如孔隙度、导水率和水头)能影响水流的运输路径(小缝隙和管道)和速度，改变源区、运输时间以及水岩作用时间，进而影响滞时特征。此外，脱白云石化作用对于流经石膏层的深层承压水中的DIC及其同位素也具有调节作用。
(4)DOC与DIC之间具有一定的相互转化，但DOC浓度远低于DIC。DOC在地表水中的浓度高于地下水，在雨季的浓度高于旱季，均与DIC相反。雨水运移到地下水的过程中不断有“新”DOC的汇入，但“新”“老”DOC混合的相对比例会随着流量而变化。渗透过程中部分DOC也会被含水层拦截或在途中被吸附或利用，成为地下水体潜在的持续陆源。表层土壤中的活性SOC库是DOC的来源之一。各FDOM组分的荧光强度变化说明DOC的补充来源可能主要是陆源的地表径流输入，而自生源的贡献相对较小。泉水的DOC随流量增加具有积聚效应，其滞时特征在不同的降雨事件中有所差异，这取决于它在单场降雨事件中的可获得性、储量以及可运输性，受控于与降雨强度/大小有关的运输限制。
(5)上述研究结果表明喀斯特关键带存在着水土侵蚀，土壤中可利用的活性碳比例也较低，长期耕作还会使土壤碳流失且在短期内不易自然恢复，最终使土壤环境质量下降。因此需及时采取退耕还林等土管政策来提高土壤环境质量。此外，薄的土壤层和成熟的地下网络系统使硝酸盐以及钙镁等离子在地下水中富集，造成地下水氮污染和水硬度升高，使部分时间段的局域水环境质量恶化，因此需通过优化施肥和灌溉等措施改善水环境质量。
总之，喀斯特关键带中碳的生物地球化学循环十分活跃，雨季的水文变化能使碳和水环境化学产生强烈的动态响应，进而通过加速局域碳循环来影响全球气候变化，并改变水土环境质量。